小型湖泊修復區(qū)與未修復區(qū)對生態(tài)修復的響應與評價

蘇小妹,薛慶舉,萬 翔,謝麗強*

小型湖泊修復區(qū)與未修復區(qū)對生態(tài)修復的響應與評價

蘇小妹1,2,薛慶舉2,萬 翔3,謝麗強2*

(1.江蘇省環(huán)境科學研究院,江蘇省環(huán)境工程重點實驗室,江蘇 南京 210036；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 210008；3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所,江蘇 南京 210042)

為研究湖泊生態(tài)修復后小型城市湖泊不同區(qū)域水生態(tài)狀況的長期響應特征,并探討利用不同水生生物類群評價水體水生態(tài)狀況的適用性,于2018年1月～2019年5月,對湖南小型城市湖泊松雅湖水質及不同水生生物類群分別進行了逐月和季度監(jiān)測,并對其水生態(tài)狀況進行了評價.結果顯示,與生態(tài)修復之前相比,修復后松雅湖全湖相關水質指標均優(yōu)于修復前,其中Chl-a和CODMn下降比例均接近90%,而TP降幅亦超過70%.對于不同水域,修復區(qū)與未修復區(qū)TN、NH3-N和TP濃度均呈下降趨勢,其他水質指標亦處于較低水平,變化相對較小,但大部分指標均以修復區(qū)為更優(yōu);其中,修復區(qū)CODMn含量較高可能與入湖水體輸入和沉水植物殘體較多有關.此外,修復區(qū)浮游植物、浮游動物以及底棲動物物種數(shù)和生物多樣性指數(shù)均高于未修復區(qū),其中浮游植物和浮游動物的密度亦高于未修復區(qū).水生態(tài)綜合評價結果顯示,修復區(qū)與未修復區(qū)的水生態(tài)狀況在大部分時間均表現(xiàn)為良好,而不同生物評價指標中以浮游動物指示種對松雅湖的評價結果最為準確,這也表明在利用單一水生生物群落對水體水生態(tài)狀況進行評價時,應根據監(jiān)測目的,并充分考慮不同生物類群以及水域環(huán)境的特點等來選取合適的生物類群進行評價.

水質；浮游植物；浮游動物；底棲動物；松雅湖

針對湖泊出現(xiàn)的突出水環(huán)境問題,如何恢復或修復其水生態(tài)系統(tǒng)已成為國內外學者研究的熱點.自二十世紀八九十年代開始,國內學者便已開始了湖泊生態(tài)修復實踐研究[1-2],比如在無錫太湖馬山水廠和五里湖等水域利用水生植被的恢復來改善水質,大部分項目在實施期間均取得了一定的效果[3-4].經過近40a的發(fā)展,不管是湖泊生態(tài)系統(tǒng)退化等水環(huán)境問題的機理研究[5-7],還是湖泊水體生態(tài)修復技術的研發(fā)與應用[8-9],均已取得了較多的成果.其中,關于水體水生態(tài)狀況對生態(tài)修復的響應方面的研究也已較多,眾多研究結果表明,以水生植被構建為主的生態(tài)修復工程可以有效改善原有水體的水生態(tài)狀況[7,10-11].

然而,在針對小型城市湖泊生態(tài)修復的研究中,同時關注生態(tài)修復后修復區(qū)與未修復區(qū)的長時間水生態(tài)狀況變化的研究仍然較少.此外,作為湖泊水生態(tài)現(xiàn)狀評價中的常見水生生物類群,浮游植物、浮游動物和底棲動物單一類群在不同水體水生態(tài)現(xiàn)狀研究中均被廣泛應用[12-14],但在利用不同生物類群評價水體水生態(tài)狀況時會存在適用性的問題,其適用條件卻很少被提及.因此,本文通過對小型城市湖泊松雅湖生態(tài)修復前后修復區(qū)和未修復區(qū)水生態(tài)狀況的長時間調研,分析了水體修復區(qū)和未修復區(qū)水生態(tài)條件對生態(tài)修復工程的響應特征,并利用不同水生生物群落對水體水生態(tài)狀況進行了評價,探討了其適用性,以期為今后的水體生態(tài)修復工程實踐及水生態(tài)評價提供參考和依據.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

松雅湖為典型的小型城市湖泊,位于湖南省長沙縣,地理坐標為113.085°～113.115°E,28.260°～ 28.288°N.2009年12月正式蓄水,到2014年9月,水面面積已接近2.4km2,平均水深3.2m,目前已成為湖南省最大的城市湖泊[15-16].松雅湖北部與撈刀河相鄰,其主要入水口亦分布于湖區(qū)北部,次要入水口由東南部進入主湖區(qū),而出水口位于西岸中部[17].在經過蓄水之后,由于農業(yè)面源污染、生活污水排放和工業(yè)用水影響等問題,松雅湖內水生態(tài)狀況仍然較差,水生植物群落也以耐污能力較強的馬來眼子菜和輪葉黑藻為主,并在部分區(qū)域出現(xiàn)藍藻堆積等現(xiàn)象.2016年4月,松雅湖實施了一系列的水生態(tài)修復項目,通過基底改良、懸浮物攔截以及水生生物恢復等措施,建成3個生態(tài)修復示范區(qū).其中,東、西部示范區(qū)的面積均為5萬m2,而北部示范區(qū)為31萬m2(圖1).最新研究結果顯示,松雅湖水生態(tài)狀況已得到一定程度的改善[18].

圖1 采樣點位分布

☆采樣點

1.2 樣品采集與處理

松雅湖水生態(tài)調查點位分布情況如圖1所示,全湖共設置10個點位,其中7個點位分布在修復示范區(qū),3個點位分布在湖中未修復區(qū).調查時間從2018年1月開始,在2019年5月時結束,水質調查每2個月開展1次,共計9次,生物樣品采集每季度開展1次,共計5次.用于檢測水體理化指標、浮游植物以及浮游動物的水樣均使用混合水,即表層、中層及底層3層的混合水樣,水樣采集使用2.5L有機玻璃采水器.其中,500mL水樣用于檢測水體的相關理化指標,1L混合水樣在經魯哥試劑固定后用于浮游植物物種的鑒定,20L水樣在經25#浮游生物網過濾之后濃縮于50mL白色方瓶內用于浮游動物物種鑒定.底棲動物樣品使用1/16m2彼得森采泥器進行采集,使用60目孔徑篩網對采集的表層沉積物篩洗之后,將殘留物保存在自封袋內并帶回實驗室進行分析.

在現(xiàn)場調研時,使用多參數(shù)水質分析儀(YSI 6600V2)在原位監(jiān)測各點位的水溫(WT)、溶解氧(DO)以及pH值等各項指標,使用黑白盤法監(jiān)測水體的透明度(SD).其他水體理化指標,包括總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、正磷酸鹽(PO43--P)、化學需氧量(CODMn)、葉綠素a(Chl-a)等指標均按照《湖泊富營養(yǎng)化調查規(guī)范》第二版[19]中的描述進行檢測.浮游植物、浮游動物以及底棲動物等生物的物種鑒定方法與顧毓蓉等[18]文獻中的描述一致.

1.3 數(shù)據分析方法

水質分類標準參照《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)[20].利用湖泊綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI(∑))法評價水體富營養(yǎng)化程度,本文中主要是基于對TN、TP、Chl-a、CODMn以及SD等幾個參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算來獲取TLI(∑)值,具體計算方法參照文獻[21]中的描述.

不同水生生物的Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)()以及優(yōu)勢度()的計算公式如下[22-23]:

式中:為物種數(shù);P=n/(n是第個物種的個體數(shù),是全部物種的個體數(shù));f為該物種在各點位出現(xiàn)的頻率,物種優(yōu)勢度>0.02的物種為優(yōu)勢種.

另外,利用TLI(∑)、Chl-a、浮游植物營養(yǎng)指數(shù)(PP)、浮游動物指示種(ZP)以及底棲動物污染指數(shù)(IBP)等參數(shù)對松雅湖水生態(tài)狀況進行評價的方法及參照標準參考文獻[24]中的描述.文中對數(shù)據進行方差分析(或Kruskal-Wallis ANOVA)和圖形的處理均在軟件OriginPro 2016中進行.

2 結果與分析

2.1 水質響應特征

如圖2所示,在調查期間,水溫變化范圍為5.45～ 34.46℃,DO變化規(guī)律與水溫相反,在溫度較低時含量相對更高,變化范圍為6.22～12.85mg/L,修復區(qū)均值為9.91mg/L,而未修復區(qū)均值為9.20mg/L,Ⅰ類水比例可達86%以上,在7月時修復區(qū)DO含量要明顯高于相鄰月份,是未修復區(qū)DO含量的1.36倍.pH值的變化范圍為6.44～10.04,其在7月時最高,其他月份變化不大,修復區(qū)和未修復區(qū)均值分別為7.65和7.26.修復區(qū)與未修復區(qū)SD的變化規(guī)律基本一致,均在9月時明顯低于相鄰月份,變化范圍為0.10～ 2.40m,平均值分別為1.14和0.43m.

圖2 修復區(qū)與未修復區(qū)水質變化特征

修復區(qū)和未修復區(qū)TN和NH3-N濃度均呈波動下降趨勢,濃度均值分別為0.73, 0.07mg/L和0.86, 0.09mg/L,其中TN的Ⅲ類水達標率分別為76.19%和74.07%,而NH3-N的Ⅰ類水達標率分別為93.65%和88.89%.調查期間,TP濃度整體呈緩慢降低趨勢,修復區(qū)和未修復區(qū)均在9月時表現(xiàn)為異常升高,平均值分別為0.023和0.038mg/L,Ⅱ類水達標率分別達100%和96.30%.PO43--P濃度整體表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢,濃度平均值均為0.003mg/L.修復區(qū)和未修復區(qū)Chl-a含量均表現(xiàn)出一定的下降趨勢,但未修復區(qū)下降趨勢更為明顯,其值均在溫度較高時達到最大值,平均值分別為2.87和4.68μg/L. CODMn均表現(xiàn)出緩慢升高后降低的趨勢,含量均值分別為2.71和2.43mg/L,Ⅱ類水達標率分別達到96.83%和100%.

顯著性分析結果發(fā)現(xiàn),各指標中僅TP、CODMn和SD在修復區(qū)和未修復區(qū)之間存在顯著性差異(<0.05),其中SD表現(xiàn)為極限著差異(<0.01).所有指標中,TN、NH3-N、TP、PO43--P和Chl-a在修復區(qū)內要低于未修復區(qū),與未修復區(qū)相比,它們的濃度在修復區(qū)內分別下降了13.33%、17.07%、39.29%、25.44%和38.55%,而修復區(qū)內的DO、pH值、SD以及CODMn則要高于未修復區(qū),分別升高了7.8%、5.16%、168.16%和11.22%.另外,3處修復區(qū)內各指標也存在較為明顯的差異,像北部修復區(qū)水體TN、CODMn和TP等指標在大部分時間均高于其他2個修復區(qū).

2.2 主要生物群落結構響應特征

2.2.1 浮游植物 調查期間,共檢出浮游植物物種115種,分屬7個門類.其中,綠藻門物種數(shù)最多,為49種,其次為硅藻門和藍藻門,分別為28種和18種,金藻門、隱藻門、甲藻門和裸藻門物種數(shù)分別為4, 3, 4和9種.從空間上看,修復區(qū)物種數(shù)明顯高于未修復區(qū),分別為108種和82種.從時間變化上看,總物種數(shù)、修復區(qū)以及未修復區(qū)物種數(shù)均在9月時達到最大值,分別為77, 72和49種,其次為5月,1月時最低;2018年不同月份,修復區(qū)與未修復區(qū)物種數(shù)均隨時間變化呈增加趨勢,而將2019年與2018年的相同月份進行對比可發(fā)現(xiàn),2019年不同區(qū)域相同物種的數(shù)量占比相對2018年時均明顯增加,這說明修復區(qū)與未修復區(qū)生境條件的差異可能在變小.在1月時,修復區(qū)與未修復區(qū)均以硅藻門物種數(shù)最高,其次為綠藻門和隱藻門,其他門類物種均較少.5月時,綠藻門和藍藻門物種數(shù)量增加明顯,此時綠藻門物種數(shù)量明顯高于其他門類.在8月時,藍藻門和硅藻門數(shù)量繼續(xù)增加,但綠藻門物種數(shù)量仍為最高.修復區(qū)與未修復區(qū)浮游植物生物多樣性均呈上升趨勢,生物多樣性指數(shù)均值分別為2.11和2.08,不同區(qū)域生物多樣性指數(shù)均值在2019年時均高于2018年.

浮游植物的密度和生物量存在明顯的時間變化特征(圖3).其中,修復區(qū)與未修復區(qū)浮游植物總密度均值分別為1.34×106和1.02×106ind./L,均在1月時最低,9月時最高,未修復區(qū)浮游植物密度僅在2018年1月時高于修復區(qū).不同區(qū)域浮游植物組成變化規(guī)律基本相似,在2018年時均由隱藻門占比最高變?yōu)榫G藻門,然后在9月時變?yōu)樗{藻門,但在2019年時硅藻門的最初占比明顯增加.浮游植物優(yōu)勢種也發(fā)生了比較明顯的變化,優(yōu)勢度最高的物種也由2018年1月的隱藻門尖尾藍隱藻()變?yōu)?019年1月的硅藻門尖針桿藻(, 修復區(qū))和顆粒直鏈藻(, 未修復區(qū)),由2018年5月的綠藻門雙對柵藻(, 修復區(qū))和隱藻門尖尾藍隱藻(, 未修復區(qū))變?yōu)?019年5月的硅藻門曲殼藻(sp.),在9月時,優(yōu)勢度最高的物種為藍藻門的偽魚腥藻().修復區(qū)與未修復區(qū)生物量均在5月時最高,分別為0.39和0.35mg/L.修復區(qū)與未修復區(qū)生物量組成的變化基本一致,在2019年同樣表現(xiàn)為硅藻門生物量占比增高的現(xiàn)象,藍藻門在9月時占比最高.

2.2.2 浮游動物 與浮游植物物種數(shù)變化相似,浮游動物物種數(shù)亦在9月時達到最大值37種,其次為2019年5月時最多,為33種,2018年1月時最少,為24種.調查期間,共檢出浮游動物物種80種,其中修復區(qū)檢出76種,而未修復區(qū)僅檢出31種,在不同時間修復區(qū)物種數(shù)均明顯高于未修復區(qū).另外,修復區(qū)與未修復區(qū)均以輪蟲的物種數(shù)變化最大,且物種數(shù)量最多,在修復區(qū)枝角類物種數(shù)量要高于橈足類,而未修復區(qū)內橈足類物種數(shù)量略高.修復區(qū)與未修復區(qū)生物多樣性指數(shù)均值分別為1.75和1.52,均在9月時最高;相對修復區(qū),未修復區(qū)生物多樣性指數(shù)波動更為明顯,且存在更為明顯的下降趨勢.

圖3 浮游植物密度和生物量變化特征

同一時間處,左:修復區(qū),右:未修復區(qū)

修復區(qū)與未修復區(qū)浮游動物密度均在5月時達到最大值(圖4),調查期間平均值分別為278.37和185.95ind./L.輪蟲密度在大部分時間均最高,僅在2018年和2019年1月時的未修復區(qū)內橈足類密度最高.修復區(qū)與未修復區(qū)枝角類、橈足類和輪蟲的平均密度分別為2.15, 10.12, 266.10ind./L和4.17, 19.02, 162.76ind./L.在不同月份,修復區(qū)優(yōu)勢度最高的物種大部分時間均為針簇多肢輪蟲(),僅在9月時略低于有棘螺形龜甲輪蟲(),未修復區(qū)在1月時均為橈足類的無節(jié)幼體和哲水蚤幼體優(yōu)勢度最高,5月時均為針簇多肢輪蟲優(yōu)勢度最高,而9月時與修復區(qū)相同均為有棘螺形龜甲輪蟲優(yōu)勢度最高.修復區(qū)與未修復區(qū)浮游動物生物量平均值分別為0.10和0.26mg/L,均在2018年5月時達到最大值,分別為0.19和0.62mg/L.修復區(qū)浮游動物生物量僅在2018年5月時由枝角類占比最高,其他時間均以輪蟲生物量占比最高;而未修復區(qū)在2018年5月時同樣由枝角類生物量占比最高,輪蟲僅在2019年5月時占比最高,其他時間均以橈足類生物量占比最高.

圖4 浮游動物密度和生物量變化特征

同一時間處,左:修復區(qū),右:未修復區(qū)

2.2.3 底棲動物 Kruskal-Wallis ANOVA由于底棲動物受采樣過程及環(huán)境變化影響較大,調查期間僅檢出20種底棲動物,修復區(qū)與未修復區(qū)分別檢出20種和9種,在不同時間修復區(qū)底棲動物物種數(shù)均明顯高于未修復區(qū).修復區(qū)與未修復區(qū)物種數(shù)的變化規(guī)律基本一致,均在1月時最高,9月時最低.修復區(qū)生物多樣性指數(shù)在不同時間均明顯高于未修復區(qū),平均值分別為1.56和0.98,均在2018年1月時最高.

修復區(qū)與未修復區(qū)底棲動物平均密度分別為226.14和373.33ind./m2.其中,修復區(qū)僅在2018年1月和9月時分別以腹足綱和寡毛綱生物密度占比最高,其他時間均以搖蚊幼蟲占比最高;而未修復區(qū)僅發(fā)現(xiàn)兩類底棲動物,在整個調查期間均以寡毛綱密度占比最高(圖5).修復區(qū)寡毛綱、搖蚊幼蟲和腹足綱的平均密度分別為69.43, 98.37和53.91ind./m2,而未修復區(qū)寡毛綱和搖蚊幼蟲密度的平均值分別為241.33和132ind./m2.在不同時間,未修復區(qū)優(yōu)勢度最高的物種均為霍甫水絲蚓();在修復區(qū)內,霍甫水絲蚓僅在2018年5月和9月時優(yōu)勢度最高,而在2018年1月時以紋沼螺()的優(yōu)勢度為最高,其他時間以多巴小搖蚊()的優(yōu)勢度最高.調查期間,修復區(qū)與未修復區(qū)底棲動物生物量平均值分別為34.06和1.21g/m2,均在1月時達到最高值,分別為133.7和2.41g/m2.與密度占比情況不同,修復區(qū)生物量在大部分時間均以腹足綱生物量占比最高,僅在9月時以搖蚊幼蟲的生物量占比最高;而未修復區(qū)內,搖蚊幼蟲在大部分時間生物量占比最高,僅在9月時以寡毛綱生物占比略高.

圖5 底棲動物密度和生物量變化特征

同一時間處,左:修復區(qū),右:未修復區(qū)

2.3 水生態(tài)狀況評價

本研究中利用5項指標對松雅湖不同時間的水生態(tài)狀況進行了評價,由于5個指標之間相互獨立,所以選取了出現(xiàn)頻率最高的結果作為評價的最終結果.結果表明,調查期間修復區(qū)水生態(tài)狀況的變化為一般→良好/一般→良好→良好→一般;而未修復區(qū)的評價結果為良好→良好→一般→良好→良好(表1).

表1 基于不同方法對松雅湖水生態(tài)狀況的評價結果

從表1中可以看出,在修復區(qū)內,TLI和Chl-a對水生態(tài)狀況的評價結果基本一致,ZP和IBP的評價結果較一致,而PP的評價結果與以上幾種方法的評價結果均存在較大差異.在未修復區(qū)內,TLI、Chl-a和ZP的評價結果相似,而剩余2種方法的評價結果與其他4種方法的評價結果均存在差異.通過以上分析可以發(fā)現(xiàn),因TLI和Chl-a 2個指標能夠直接、快速的反應水質及相關生物群落的變化,這使得其對水生態(tài)狀況的評價結果與松雅湖水生態(tài)系統(tǒng)的實際狀況更為符合.所以,將3種水生生物類群的評價結果與對應的TLI和Chl-a評價結果進行對比發(fā)現(xiàn),對于修復區(qū)與未修復區(qū),均以浮游動物的評價結果與實際情況更為接近,而其他2種水生生物類群的評價結果與實際情況則相差較大.

3 討論

3.1 水質對生態(tài)修復的響應特征

作為常規(guī)的傳統(tǒng)水生態(tài)修復技術,以大型水生植被群落構建為主的水生態(tài)修復技術對水體中的重金屬、營養(yǎng)鹽以及其他有機與無機污染物均具有較好的去除效果,對水體水質可以起到較好的改善作用[25-27].如謝季遙等[7]對蘇州市城市湖泊潛龍渠的研究發(fā)現(xiàn),生態(tài)修復后,TP、TN、NH3-N以及CODMn4種污染物濃度均有下降,潛龍渠水質得到顯著提升,但其指出不同污染物對生態(tài)修復措施的響應程度不同.對湖北洋瀾湖的生態(tài)修復研究[11]亦發(fā)現(xiàn),修復區(qū)除TN和TP出現(xiàn)降低之外,Chl-a濃度也顯著低于未修復區(qū),同時修復區(qū)的水體透明度亦顯著高于未修復區(qū).而對于松雅湖,在2016年生態(tài)修復之前,其水體主要理化參數(shù)情況如表2所示.從表中可以看出,在生態(tài)修復之前,松雅湖內水體以TN、TP以及CODMn等指標均屬于Ⅳ類或Ⅴ類,僅NH3-N達到Ⅱ類水標準.修復后,松雅湖修復區(qū)與未修復區(qū)TN分別降低了46.53%和38.3%,TP分別降低了79.21%和65.76%,CODMn分別降低了89.85%和90.88%,NH3-N分別下降了53.16%和43.52%,且均達到Ⅲ類水及以上水平.除以上幾項指標之外,Chl-a等指標也得到明顯改善,其中Chl-a降低了接近90%.同時,未修復區(qū)水質也得到明顯改善,但其中TP和SD要顯著差于修復區(qū),特別是SD.另外,修復區(qū)內CODMn含量要顯著高于未修復區(qū),這可能與修復區(qū)內主要入水口入湖水體攜帶外源輸入有機物質含量較高,以及修復區(qū)內水生植物殘體較多等原因有關[28].

表2 2016年松雅湖生態(tài)修復之前水體各項指標狀況

注:“/”表示《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)中不包含此分類參數(shù).

3.2 水生生物群落變化

水生植物群落的構建等生態(tài)修復措施不僅可以改善水體水質,對水生態(tài)系統(tǒng)中的不同水生生物類群的結構也存在重要影響[5,10,29].首先,水生植被群落構建和修復等措施可以增加浮游植物群落的生物多樣性,降低其生物量和細胞豐度,并改變其優(yōu)勢種[30].在2013年和2014年9月,張瑋等[15]對松雅湖浮游植物群落特征進行了研究,共檢出118種浮游植物,與本研究結果基本一致,這可能與2014年松雅湖的蓄水有關,水量的增加對水體的惡化起到了一定的緩解作用.但本次調研中修復區(qū)物種數(shù)要顯著高于未修復區(qū),說明生態(tài)修復對浮游植物群落物種數(shù)的增加起到了積極影響.與前期調研結果相比,兩次調研中浮游植物優(yōu)勢種的變化相對較小,但藍藻門優(yōu)勢種由微囊藻屬變?yōu)轭澰鍖?另外,夏季時水體中浮游植物密度顯著下降,由4.59×106ind./L降至2.20×106ind./L(均為9月時調查結果),Shannon- Wiener多樣性指數(shù)也有所升高.生態(tài)修復后浮游植物群落的變化可能主要與水體中營養(yǎng)鹽含量以及大型水生植物分布情況的變化有關,高健等[31]對惠州西湖的研究結果指出,生態(tài)修復后營養(yǎng)鹽含量的降低和沉水植物的出現(xiàn)是影響浮游植物群落發(fā)生改變的主要環(huán)境因子.

其次,湖泊生態(tài)修復對浮游動物群落結構也具有重要影響.曾海逸等[29]對暨大南湖的研究發(fā)現(xiàn),在湖泊修復后浮游動物枝角類的豐度和生物量均顯著增加,后生浮游動物的生物量也顯著增加.而苗滕等[32]的研究發(fā)現(xiàn),修復后的元妙觀湖和南南湖,浮游甲殼動物的物種數(shù)、豐度和生物多樣性均高于未修復的平湖.在本研究中,修復區(qū)在不同時間獲取的浮游動物物種數(shù)均明顯高于未修復區(qū),而豐度及生物多樣性指數(shù)等參數(shù)亦高于未修復區(qū).此外,前期調查結果顯示,在松雅湖開展生態(tài)修復之前,其水體中浮游動物物種數(shù)在2013年和2014年夏季分別為49種和30種,而本研究中2018年夏季共檢出37種,說明在生態(tài)修復之前松雅湖浮游動物物種數(shù)可能已呈降低趨勢,但在經過生態(tài)修復之后松雅湖的浮游動物物種數(shù)又出現(xiàn)一定程度的增加.已有研究表明,浮游動物群落結構的變化一般主要受浮游植物以及魚類群落組成變化的影響.一方面,浮游動物中的一些物種是浮游植物的主要捕食者,所以,浮游植物群落結構的變化會對浮游動物群落結構產生直接影響[33],而水質的變化也會通過影響浮游植物群落結構來影響浮游動物的群落組成;另一方面,魚類作為浮游動物的主要捕食者,是影響浮游動物群落結構組成的主要因素[29,34].

最后,由于底棲動物具有生活周期長、遷徙能力差、對環(huán)境變化敏感等特點[35-36],其對湖泊水生態(tài)修復措施也存在顯著的響應.劉保元等[37]通過圍隔實驗發(fā)現(xiàn),水生植被恢復后,底棲動物的物種數(shù)、密度以及生物量均有增加,軟體動物也再次出現(xiàn),生物多樣性也得到提高.吳家樂等[11]對湖北洋瀾湖治理效果的研究也發(fā)現(xiàn),修復區(qū)底棲動物的物種數(shù)、密度均高于未修復區(qū),特別是軟體動物的密度和生物量,修復區(qū)均顯著高于未修復區(qū).然而,在本研究中修復區(qū)底棲動物的密度要低于未修復區(qū),這可能與未修復區(qū)中寡毛綱和搖蚊幼蟲等耐污種的密度仍較高有關,而未修復區(qū)物種數(shù)遠低于修復區(qū)可能也在一定程度上與未修復區(qū)的水深相對較深有關.但與前期張瑋等[15]對松雅湖的研究結果進行對比發(fā)現(xiàn),本次調查中修復區(qū)與未修復區(qū)底棲動物物種數(shù)和密度均明顯高于2013年和2014年時的調查結果.從以上結果可以看出,湖泊富營養(yǎng)化對底棲動物的豐度、生物量和物種組成等均存在較為明顯的負面影響,而生態(tài)修復后水生植物的存在可為底棲動物提供良好的棲息生境,并有利于其躲避敵害,對其群落的穩(wěn)定發(fā)展具有積極作用[38-39].

3.3 水生態(tài)狀況

從以上分析可以看出,松雅湖生態(tài)修復示范區(qū)的建設對松雅湖水質和不同水生生物群落結構的發(fā)展均起到了良好的改善作用,增加了松雅湖水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而沉水植物等大型水生植物的恢復也增加了水體生境的多樣性,為不同水生生物物種的生存提供了良好生境.所以,從另一方面來看,湖泊中不同水生生物類群群落的結構特征也可以反映湖泊的水生態(tài)健康狀況[40-42].本文中選取TLI(∑)、Chl-a、PP、ZP以及IBP等5個指標來綜合評價松雅湖的水生態(tài)狀況,其中,后4項指標均可表征湖泊中的水生生物狀況.從綜合評價的最終結果看,松雅湖修復區(qū)與未修復區(qū)水生態(tài)狀況相似,在大部分時間均為良好.但其中3項生物指標的評價結果相差較大,這可能與3個指標的計算方法有關,雖然修復區(qū)中不同生物的物種數(shù)均有明顯增加,但仍包含一些耐污種,所以3項指標的評價結果仍然相對較差.以上結果也說明,水體中不同生物類群對水質以及生境變化的響應存在較大差別,這可能與不同水生生物類群所處的生態(tài)位與營養(yǎng)級不同有關.已有研究表明,不同的生物類群結構的變化反映的是水體中不同層次水環(huán)境狀況的變化[43].因此,在利用生物類群指標對水體水生態(tài)狀況進行評估時,應根據監(jiān)測目的(如水質、底質或其他生境條件狀況評估等),并充分考慮不同生物類群(如生活史及對污染物或者生境變化的敏感程度不同等)以及水域環(huán)境的特點(如水深、水動力以及人為干預程度不同等)來選取適宜的水生生物類群開展評估.比如,浮游植物與浮游動物適用于較為短期的環(huán)境監(jiān)測,而大型底棲動物適用于時間尺度較長的環(huán)境監(jiān)測;浮游植物與浮游動物對水質變化的評價效果較好,大型底棲動物對生境條件的評價效果較好[44-45].在本研究中,從水生生物評價結果可以看出,與浮游植物相比,浮游動物對松雅湖水生態(tài)狀況變化的響應更為迅速,也更適于在小型城市湖泊水生態(tài)狀況評價中應用.另外,通過底棲動物的評價結果也可以發(fā)現(xiàn),松雅湖修復區(qū)的生境條件在一定程度上要優(yōu)于未修復區(qū).

綜上所述,湖泊生態(tài)修復示范區(qū)的建立不僅對松雅湖示范區(qū)內的水質及水生態(tài)條件起到了良好的改善作用,未修復區(qū)內水生態(tài)狀況也得到了一定程度的改善,特別是水質,其各項指標與修復區(qū)均不存在顯著差異(TP與SD除外).然而,結合國內外湖泊生態(tài)修復研究現(xiàn)狀,可以發(fā)現(xiàn)迄今為止能夠成功修復湖泊生態(tài)系統(tǒng)的案例仍然較少,特別是在一些較大型的湖泊之中[1].就算是修復成功的案例一般也需要一個較長的過程,并耗費巨大的人力、財力和物力[46-47].究其原因,除與污染源控制與生境變化等條件有關之外,生態(tài)修復工程及后期管理等過程的成本過高也是其中的重要原因,但國內外學者對水體生態(tài)修復工程中成本控制這一方面的研究仍然較少.而本研究中多塊生態(tài)修復示范區(qū)的成功建立及示范也為今后小型湖泊生態(tài)修復成本控制提供了重要思路,即通過優(yōu)化生態(tài)修復示范區(qū)的數(shù)量、位置和大小等方法,在達到應有效果的基礎上,實現(xiàn)成本的最優(yōu)控制.

4 結論

4.1 生態(tài)修復后,松雅湖生態(tài)修復示范區(qū)與未修復區(qū)各項水質指標均優(yōu)于修復之前,其中Chl-a和CODMn下降比例均接近90%,而TP降幅亦超過70%,均達到Ⅲ類水及以上水平;修復區(qū)的大部分水質指標也要優(yōu)于未修復區(qū),其中TP和Chl-a均下降了接近40%,而SD升高了接近1.7倍.

4.2 修復區(qū)浮游植物、浮游動物以及底棲動物物種數(shù)和生物多樣性指數(shù)均高于未修復區(qū),其中浮游植物和浮游動物的密度亦高于未修復區(qū),底棲動物優(yōu)勢種也發(fā)生了明顯變化,說明修復區(qū)生境條件要優(yōu)于未修復區(qū).

4.3 水生態(tài)狀況綜合評價結果顯示,修復區(qū)與未修復區(qū)在大部分時間均表現(xiàn)為良好,而生物指標中以浮游動物對松雅湖水生態(tài)狀況的評價結果最為準確.

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SU Xiao-mei1,2, XUE Qing-ju2, WAN Xiang3, XIE Li-qiang2*

(1.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering, Jiangsu Provincial Academy of Environmental Sciences, Nanjing 210036, China；2.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；3.Nanjing Institute of Environmental Science, MEE, Nanjing 210042, China)., 2022,42(1)：302～312

s：This research aims to study the long-term variations on aquatic ecological state in different regions of a small urban lake after ecological restoration, and the applicability of using different aquatic organisms to evaluate water ecological state, the water quality and different aquatic communities in Songya Lake, a small urban lake in Hunan Province, this monitoring was performance monthly and quarterly from January 2018 to May 2019, and the water ecological state was evaluated. After restoration, the results showed that the water ecological status of the whole lake was better than that of before restoration. The decrease rates of Chl-a and CODMnwere nearly to 90%, and for TP it was more than 70%. The concentrations of TN, NH3-N and TP in the restored area and the un-restored area, all showed a decreasing trend, and the others water quality indexes were also at a low level with relatively small variation during the survey; However, most of the indexes were better in the restored area. The higher contents of CODMnin the restored area were probably related to the exogenous input and more submerged plant residues. In addition, the numbers of species and biodiversity indexes of phytoplankton, zooplankton and zoobenthos in the restoration area were higher than those in the un-restored area, and the densities of phytoplankton and zooplankton were also higher than those in the un-restored area. The evaluated results of water ecology showed that the restored area and the un-restored area performed well in most of the time. Among the different biological indexes, the zooplankton species indicators were the most accurate in Songya Lake, this finding suggested that in order to use a single aquatic biota to evaluate the water ecological state of the water body, an appropriate biota should be selected for this evaluation according to the characteristics of the water environment and the objectives pursued.

water quality；phytoplankton；zooplankton；zoobenthos；Songya Lake

X826

A

1000-6923(2022)01-0302-11

蘇小妹(1989-),女,河南安陽人,工程師,博士,主要從事湖泊生物學和環(huán)境毒理學研究.發(fā)表論文6篇.

2021-05-02

國家自然科學基金資助項目(41907326, 31930074);中國科學院科技服務網絡計劃區(qū)域重點項目(KFJ-STS-QYZD-156);中國博士后科學基金(2019M651754);江蘇省環(huán)境工程重點實驗室開放基金(ZX2018007);2018年太湖水污染治理省級專項資金科研課題(TH2018402)

* 責任作者, 研究員, lqxie@niglas.ac.cn